三電平IGBT功率模塊

為了充分發(fā)掘系統(tǒng)層面的設(shè)計優(yōu)勢，以往主要集中在大功率應(yīng)用的三電平中點鉗位(NPC)拓撲電路近來也開始出現(xiàn)在中、小功率應(yīng)用中。低電壓器件改進后的頻譜性能和更低的開關(guān)損耗，使得UPS系統(tǒng)或太陽能逆變器等需要濾波器的產(chǎn)品受益匪淺。迄今為止，為了實現(xiàn)三電平電路，只能通過采用分立式器件或至少將三個模塊結(jié)合在一起?，F(xiàn)在，采用針對較高擊穿電壓的芯片技術(shù)，通過將三電平橋臂集成到單獨模塊中，再配上驅(qū)動電路，就能夠使得這種拓撲在新的應(yīng)用中更具吸引力。

三電平NPC拓撲的工作原理

在三電平NPC的拓撲中，每一個橋臂由四個帶反并二極管的IGBT以串聯(lián)的方式連接，另外再配上兩個二極管DH和DL，將它們中間節(jié)點連接到直流母線的中性點。其中所采用的所有功率半導(dǎo)體都具備相同的擊穿電壓。根據(jù)輸出電壓和電流的特點，一個周期的基頻輸出有四個不同續(xù)流工作狀態(tài)。

圖1. 三電平NPC中某一個橋臂的換流回路。a) 短換流回路； b) 長換流回路

從圖1a可以看出，電壓和電流處于正方向，T1和DH組成了BUCK電路的工作方式，而T2則以常通的方式輸出電流。而電壓和電流處于負向期間，T4與DB 組成了BOOST電路的工作方式，T3以常通方式輸出電流。在上述兩種情況下，換流只有發(fā)生在兩個器件中，我們稱之為短續(xù)流。然而當(dāng)輸出電流為負向而電壓為正向的情況下，流過T3和DB的電流必須如圖1b)所示換相至D2和D1。這種換流涉及到四個器件，因此稱之為長換流回路。在其它情況下，會存在另一個長換流路徑。在設(shè)計三電平變換器時，如何控制好長換流回路的雜散電感和過壓問題，是設(shè)計人員所要面臨的又一挑戰(zhàn)。

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圖2 EasyPACK 2B封裝

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針對三電平NPC拓撲的最新IGBT模塊

雖然總共集成4個IGBT和6個二極管的IGBT模塊并不適用于高功率產(chǎn)品，但是只要功率范圍一定，并且控制管腳數(shù)允許采用標(biāo)準(zhǔn)封裝，它是可以適用于中、小功率產(chǎn)品的。

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圖3 EconoPACK 4 封裝

對于小功率產(chǎn)品而言，如圖3所示的EasyPACK 2B封裝具備足夠的DBC面積來集成一個完整的150A三電平模塊橋臂。由于可在給定的柵格內(nèi)任意布置管腳，這些管腳即可以作為功率端子也可作為控制端子，因此這個封裝可提供非常理想的連接方式。這種封裝可提供輔助發(fā)射極端子，可確保IGBT的高速開關(guān)。對于電源端子而言，最多可采用8個端子并聯(lián)，確保獲得所需的額定電流以及降低雜散電感和PCB熱量。

對于中功率的產(chǎn)品，全新推出的EconoPACK 4封裝提供了一種理想選擇，它可集成三電平中所有功率器件。右邊的三個功率端子用來把直流母線分開，為三電平逆變器帶來極低的寄生電感，與它相對的兩個功率端子并聯(lián)起來作為每一個橋臂的輸出端子。在模塊封裝的兩側(cè)是控制引腳，PCB驅(qū)動板可以通過這些端子直接連接。這種封裝的三電平模塊中的橋臂的最高電流高達300A。

就降低雜散電感而言，將一個三電平相橋臂的所有器件集成至一個模塊，是一種很有前景的解決方案。然而，很明顯僅600V的器件耐壓使它很難滿足典型應(yīng)用，原因在于：母線電壓的均壓不理想，而且600 V器件開關(guān)速度太快。

為了使設(shè)計更加容易并且確保器件在應(yīng)用中具有更高的裕量，這些模塊采用了增強型IGBT和二極管芯片，耐壓達到650V。這些新的芯片與眾所周知的600V IGBT3器件一樣，具有相同的導(dǎo)通特性和開關(guān)特性；而且可靠性也沒有發(fā)生改變(如SOA、RBSOA、SCSOA)。這些通過最新的IGBT和二極管終端結(jié)構(gòu)的開發(fā)得以實現(xiàn)，并確保了超薄的70?m芯片厚度不發(fā)生改變。因此，650V IGBT的集電極－發(fā)射極飽和電壓VCE_SAT在25°C仍然保持在極低的1.45V水平(150°C時為1.70V)。器件的開關(guān)損耗較低，當(dāng)開關(guān)頻率為16kHz時，損耗僅占逆變器總損耗的三分之一。此外，該IGBT還具備非常平滑的電流拖尾特性，即使在惡劣的條件下，也不會造成電壓過沖。二極管的VF-Qrr 關(guān)系也作了優(yōu)化，正向壓降極在25°C條件下為1.55V((150°C時為1.45V)，并保持器軟關(guān)斷特性。

設(shè)計三電平拓撲的IGBT驅(qū)動所面臨的挑戰(zhàn)

在中、小功率的三電平NPC拓撲應(yīng)用中，為了使系統(tǒng)性能發(fā)揮到最佳，對IGBT的驅(qū)動提出了一些具體要求。

較高的開關(guān)頻率 由于開關(guān)頻率范圍從16kHz到30kHz，驅(qū)動器必須為每個IGBT提供一致并且較小的傳輸延遲時間，以便減小死區(qū)時間。由于650V器件具備快速的開關(guān)速度，因此死區(qū)時間主要取決于驅(qū)動器的傳輸延遲時間的變化。如果死區(qū)時間相對于開關(guān)周期過長，會導(dǎo)致逆變器的輸出非線性，從而為控制算法帶來多個更多的挑戰(zhàn)。

拓撲電路結(jié)構(gòu) 盡管這些器件的耐壓電壓僅為600V或650V，但驅(qū)動器的隔離要求卻與1200V相同。由于驅(qū)動電路數(shù)量增加一倍，因此必須采用適用于該驅(qū)動器的設(shè)計，并且要求其電源具備數(shù)量較少的組件和較小的PCB空間。驅(qū)動電路的保護特性如短路檢測和欠壓鎖定等必須與三電平NPC拓撲匹配。首先關(guān)斷一個內(nèi)部的IGBT(圖1中的T2、T3)，會使得母線電壓完全施加到這個器件上，由于超過了器件SCSOA或RBSOA區(qū)域，將導(dǎo)致器件立即失效。

運用EiceDRIVER系列全新的集成IGBT驅(qū)動技術(shù)，可輕松地滿足這些要求：

* 集成的微變壓器技術(shù)提供基本的絕緣功能，其絕緣電壓高達1420 Vpeak。

* 集成的有源米勒箝位功能可以采用單電源來實現(xiàn)，這種驅(qū)動器在即便在較高開關(guān)速度條件下也不會有寄生導(dǎo)通風(fēng)險[8]。

* 相對于傳統(tǒng)采用光電耦合的驅(qū)動器技術(shù)，這種微型變壓器技術(shù)，可大幅降低傳輸延遲的時間和相互之間的偏差。

* 集成的Vcesat保護功能也可用于外側(cè)開關(guān)，但對于內(nèi)側(cè)的IGBT該功能需要屏蔽掉。

實驗試驗結(jié)果

這部分將介紹采用EasyPACK 2B 三電平模塊的開關(guān)波形。在這個電路中，IGBT的IGBT柵極驅(qū)動了1ED020I12-F的驅(qū)動芯片。采用電流互感器在直流母線的正端DC+或DC-來進行測量電流。

圖4. 短換流的開關(guān)波形(峰值電壓為550 V，電壓仍在允許范圍之內(nèi)。)

短換流回路 圖4 顯示的是，在標(biāo)稱電流、400V直流母線電壓和25°C結(jié)溫條件下的短換流情況的開關(guān)波形。

圖5 長換流的開關(guān)波形(峰值電壓為580V。該電壓僅比短換流的峰值電壓高30V，仍然不超過650 V的擊穿電壓。)

長換流回路 圖5 顯示了在相同條件下的長換流的開關(guān)波形

首次試驗結(jié)果表明，由于將一個完整的三電平橋臂集成在一個模塊中，長換流幾乎可實現(xiàn)與短換流相同的開關(guān)性能。不過，要想在更大電流條件下，獲得足夠的裕量，仍需要進一步降低電路的雜散電感。通過將多個電容器并聯(lián)，并采用多層電路板來減小模塊和電容器之間的電流回路，可有效減小寄生電感。此外，必須要考慮的是，實際的應(yīng)用中在直流母線上是不會采用電流互感器的。在這里采用電流互感器會產(chǎn)生15nH的雜散電感，從而導(dǎo)致45V的過壓。

結(jié)論

通過將一個完整的三電平橋臂集成在一個模塊內(nèi)部，把器件耐壓從600V提高到650V，然后配上較高集成度的驅(qū)動解決方案，這種三電平NPC拓撲為中、小功率逆變器如高效的UPS、PV等需要工作在較高開關(guān)頻率和配置有濾波器的應(yīng)用帶來非常具有吸引力的解決方案。